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Impiego del carbone in settori non energetici

CCC/291

Novembre 2018

Dr. IAN REID

Non solo fonte di energia, il carbone può essere altro. E forse il suo futuro passa proprio da qui, dall’altro. Nel report si analizzano le prospettive sull’utilizzo del carbone nei settori non energetici, vista la crescente pressione dell’opinione pubblica mondiale per la dismissione delle fonti fossili a vantaggio di quelle rinnovabili.

Attualmente i principali settori di utilizzo del carbone sono il comparto energetico, l’industria del cemento e l’industria chimica per la produzione di differenti sostanze reagenti. La produzione di sostanze chimiche rappresenta il quarto maggior settore di impiego del carbone, per un totale di 40 milioni di tonnellate all’anno. Nella tabella 1 sono riportate alcune delle principali sostanze derivate dal carbone.

Il processo di partenza per ottenere una ampia gamma di prodotti chimici è la gassificazione del carbone bituminoso. L’industria del carbone bituminoso opera a livello mondiale e converte i sottoprodotti derivanti dal carbon coke in prodotti chimici, farmaceutici, coloranti e conservanti. Anche se la loro domanda è in aumento, l’offerta di materie prime si sta riducendo a causa della contrazione nella produzione di acciaio inossidabile e degli acciai speciali. Inoltre, anche l’industria del carbone bituminoso deve rispettare le normative contro le emissioni inquinanti, che stanno diventando sempre più stringenti, soprattutto per le emissioni di idrocarburi poliaromatici.

Dal carbone si possono produrre anche fibre di carbonio, materiali compositi ed elettrodi in grafite (Figura 1). Negli ultimi anni alcuni settori sono in forte espansione come quello legato alle nano tecnologie e all’estrazione di terre rare dal carbone e dalla lignite.

Figura 1 Elettrodi in grafite.

In Cina la gassificazione del carbone per la produzione di polimeri riveste un grande successo nel mercato globale dei polimeri. L’industria beneficia da una parte del basso costo della materia prima ma presenta metodi di produzione più complessi rispetto a quelli tradizionali, di conseguenza il processo ha più emissioni specifiche di CO2 rispetto alla polimerizzazione del gas pur prestandosi particolarmente per essere integrato dalle tecnologie Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS).

Altro settore in costante ascesa è l’estrazione di metalli e terre rare dai materiali carboniosi di scarto. Le terre rare sono di fondamentale importanza per la produzione dei magneti permanenti, largamente impiegati nei motori e in altri dispositivi di tipo elettrico. Studi condotti dal Dipartimento dell’energia americano (DOE) ne hanno rilevato la presenza con più di 300 ppm in alcuni giacimenti di carbone americani. Negli Stati Uniti d’America è stato finanziato, con ottimi risultati, un programma per l’estrazione delle terre rare dagli scarti di produzione del carbone. La rimozione dei metalli pesanti dalla terre di scarto ha inevitabili benefici ambientali e  non è di secondaria importanza il recupero degli elementi radioattivi naturalmente presenti nel carbone, evitandone così la dispersione in ambiente.

Sta riscuotendo sempre più interesse la produzione della fibra di carbonio a partire dallo scarto prodotto dalla distillazione del carbone. Il metodo più comune per la produzione della fibra di carbonio impiega le fibre di poliacrilonitrile (PAN) derivate dall’industria petrolifera (circa il 90% della produzione di fibre di carbonio avviene con questo processo). Questo innovativo metodo di produzione delle fibre ha visto duplicare recentemente la quantità di fibre di carbonio prodotte, arrivando a circa 10.000 t/anno con un impatto sulla produzione pari al 10% sul totale.

Il ruolo della lignite nel settore energetico si sta contraendo costantemente negli ultimi anni, in virtù delle elevate emissioni specifiche di CO2. Se il trend di questi ultimi anni perdura, la lignite potrebbe diventare una risorsa energetica non più sfruttata. Un fattore importante che potrebbe invertire il trend di consumo della lignite è legato, indirettamente, alla desertificazione e all’aumento della domanda di prodotti agricoli. Le nuove tecniche di lavorazione della lignite prevedono il trattamento con aria o microbi producendo sostanze fertilizzanti utilizzabili in agricoltura. Questa prospettiva apre nuovi mercati alla lignite e probabilmente un nuovo futuro. Anche la gassificazione della lignite per la produzione di idrogeno si sta dimostrando una tecnologia promettente. L’Australia sta investendo ingenti risorse per testare le varie fasi del processo, compresa la sicurezza del trasporto.

Il carbone trova largo impiego da molti anni (circa un milione di tonnellate anno) anche nella purificazione dell’acqua, del gas naturale e nei sistemi per il controllo delle emissioni inquinanti (rimozione del mercurio).

Anche la produzione dei nano tubi attraverso la conversione diretta di alcuni prodotti del carbone rappresenta un promettente settore di ricerca. Attualmente questo processo richiede dispositivi ad arco elettrico ad alta energia. I nano tubi presentano solitamente un diametro che può essere compreso in 1-3 nanometri e trovano largo impiego nel settore militare, aeronautico e ingegneristico.

Figura 2. Nano tubi in carbonio.

Sono prodotti a partire da reagenti chimici sotto forma gassosa o solida e di conseguenza il ruolo del carbone è limitato all’impiego di alcuni sottoprodotti come per esempio il monossido di carbonio.

Sono in fase di studio processi per la produzione del grafene a partire dal carbone. Il grafene è un materiale bidimensionale che presenta caratteristiche chimico fisiche molto interessanti, come per esempio una elevata conduttività termica e l’idrofobicità largamente impiegata nelle pitture. Attualmente ci sono più di 50.000 brevetti che riguardano la produzione del grafene. Questo tipo di processo si è rivelato problematico, anche se risultati incoraggianti sono stati ottenuti, partendo da carbone bituminoso, grazie a tecniche elettrochimiche innovative. Il carbone bituminoso si presta a questo tipo di processo in quanto il carbonio contenuto in esso è amorfo (privo di struttura cristallina).

Il carbone negli ultimi anni sta ampliando notevolmente i sui campi di impiego, pur permanendo le criticità legate alle sempre più stringenti normative sull’inquinamento, le quali giocheranno un ruolo fondamentale sul futuro di questa risorsa, che per quasi due secoli ha retto gran parte del peso del sistema energetico mondiale. APorcu